I. теория хим процессов

ВВЕДЕНИЕ

Химическая технология - естественная, прикладная наука о способах и процессах производства продуктов (предметов потребления и средств производства), осуществляемых с участием химических превращений технически, экономически и социально целесообразным путем.

Как наука химическая технология имеет:

предмет изучения - химическое производство;

цель изучения - создание целесообразного способа производства необходимых человеку продуктов;

методы исследования - экспериментальный, моделирование и системный анализ. Как естественная наука химическая технология изучает материальные

явления и объекты (общественные науки - такие, как философия, логика, история - изучают идеальные явления).

Как прикладная наука технология изучает производство. Конечной целью изучения является создание способа производства и управления им. Фундаментальная наука ("чистая" наука) изучает явления природы с целью получения более отвлеченных знаний о них . Как "чистая", так и "прикладная" науки дают фундаментальные знания о явлениях, характерных для изучаемого объекта.

Объектом изучения и результатом исследований является хим. производство. Исторически химическую технологию условно подразделяют на технологию неорганических и органических веществ, хотя оба раздела технологии объединяются общими принципами и закономерностями.

Методы исследования ХТ

 Системный анализ - совокупность методов и средств изучения сложных ХТС. Методы:

1)строгие математические, которые основаны на ф/х сущности протекающих явлений в этих процессах и аппаратах - сис-ма управления.

2)эвристические - основаны на опыте эксплуатации установок, на здравом смысле; позволяют сократить размерность задачи

Этапы:

1)выделение элементов, которые определяют интересующие или необходимые свойства ХТС;

2)установление зависимостей выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение математического описания его и определение свойств и особенностей. Поскольку в элементах ХТС происходят превращения потоков, то их описание основывается главным образом на физико-химических и физических закономерностях протекающих в них процессов;

3)выделение связей между элементами, ответственных за проявление интересующих свойств ХТС. Происходит выделение структуры сис-мы (ХТС) - совокупность элементов и их связей.

4)исследование ХТС - расчет показателей, опред-е св-тв(особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) ХТС для улучшения ее показателей и свойств. Большое значение здесь имеют эвристические метод.

Моделирование - метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели

Модель - специально созданный для изучения объект любой природы, более простой, чем исследуемый, по всем св-вам, кроме тех, которые надо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы получить новую инфу о нем.

физическое, при котором природа модели и исследуемого объекта одинаковы - основано на количественной связи(исследование обтекания самолета воздухом на модели в аэродинамической трубе)

математическое, в котором модель и объект имеют разную физ. природу, но одинаковые св-ва

реальные (некое физ устройство)

знаковые (математическое уравнение)

Химическое производство - совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты.

Технологический процесс - совокупность технологических операций (химических, механических и физико-химических), выполняемых в определенной последовательности с целью получения того или иного продукта.

Химико-технологический процесс - последовательность процессов целенаправленной переработки исходных веществ в продукт - химических и физико-химических процессов и их сочетаний.

Иерархическая структура ХТС

Современное химическое предприятие можно подразделить на взаимосвязанные подсистемы, соподчинение между которыми увязывается иерархической структурой, состоящей из трех-четырех уровней иерархии.

1ступень иерархии – типовые химико-технологические процессы (механические, тепловые, диффузионные, химические) и локальные системы стабилизации;

2ступень иерархии – ХТС, соответствующие технологическим цехам или участкам, САУ процессами организационного и технологического функционирования цехов или участков и САУ ХТС;

3ступень иерархии – сложные ХТС, отвечающие химическим производствам целевых или промежуточных продуктов, и САУ организационного и технологического функционирования производств;

4ступень иерархии – химическое предприятие в целом и автоматизированная информационная система организационного управления предприятием.

Основные показатели химического производства

Технические показатели определяют качество химико - технологического процесса.

Производительность (мощность) производства - количество получаемого

продукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени:

П = GR/t =[м3/ч],

где П - производительность; GR - количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t (за 1 час или 1 сут - показывает max возможность производства в непрерывном режиме; за 1 год - учитывает плановые остановки производства).

Для химических производств для связи часовой или суточной производительности с годовой принимают, что производство работает 8000 ч, или 330 сут, в год. П зависит от конкретного производства.

Расходный коэффициент показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта:

К=Gисх/GR.

Бывают теоретические (рассчитываются по стехиом. уравнению) и практические (рассчит. с учетом потерь). Его размерность очевидна: кг сырья/т продукта; м3 сырья/кг продукта; кВт-ч/кг продукта; Гкал/т продукта и т. д.

Расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Последняя определяется выходом продукта.

Выход продукта - отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья: ER= GR/Gmах;

Неполнота выхода продукта зависит от неполноты превращения, потерь, наличия примесей.

Интенсивность процесса - кол-во перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата: И=GR/τ*Vап

Этот показатель характеризует интенсивность протекания процесса в технологическом аппарате и совершенство организации процесса.

Удельные капитальные затраты - затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Для организации производства необходимы единовременные затраты на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т.е. капитальные затраты. Отнесенные к единице производительности, удельные капитальные затраты характеризуют эффективность организации процесса в отдельных аппаратах и в производстве в целом, совершенство используемых конструкций. Этот показатель выражается в натуральных величинах(т металла/1000 т продукта в сут), или в денежном выражении.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность и оценивается разными характеристиками:содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Определяется нормативными документами (ГОСТ - государственный отраслевой стандарт, технические условия, сертификат качества). Показатель индивидуален для каждого продукта.

Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства.

Себестоимость продукции - суммарные затраты на получение единицы

продукта. Себестоимость складывается из следующих расходов: затрат на сырье, энергию, вспомогательные материалы; единовременных, капитальных затрат, распределяемых равномерно на срок эксплуатации оборудования; затрат на оплату труда работников.

С=(ЦG+kЗк+Зт)/Gп,

где Ц и G -цена и кол-во израсходованного сырья, энергии, материалов на производство продукта в кол-веGп; Зк-капитальные затраты; k-коэфф. окупаемости

капитальных затрат ( в среднем =0,15 в расчете на годовую произв-ть); Зт-оплата труда.

Себестоимость имеет денежное выражение.

Производительность труда - количество продукции, произведенной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного работающего; характеризует эффективность производства относительно затрат труда.

Экономические показатели рассчитываются на основе технических показателей. Некоторые из них (производительность, расходные коэффициенты, удельные капитальные затраты) можно представить в денежном выражении. Эти и экономические показатели также называют техноэкономическими.

Эксплуатационные показатели определяют влияние отклонений от регламентированных условий и состояний, возникающих при работе производства, на показатели процесса, возможность управления процессом.

Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановов оборудования или производства в целом за определенный отрезок времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации.

Безопасность функционирования - вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, а также окружающей среде, населению.

Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации; определяется отношением изменения показателей процесса

к этим отклонениям.

Управляемость и регулируемость характеризуют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние (сложность управления).

Социальные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность обслуживания оценивается сопоставлением санитарногигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и др.

Степень автоматизации и механизации определяет долю ручного и тяжелого труда в эксплуатации производства.

Экологическая безопасность - степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регион

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Физико-химические закономерности

Стехиометрические соотношения

Vi = 0 – для инертного в-ва

Стехиометрическое уравнение устанавливает соотношение между количеством превратившихся веществ = является балансовым = расчет материального баланса реакционных процессов.

Стехиометрические уравнения показывают соотношение количеств реагирующих веществ, но не отвечают действительно протекающим взаимодействиям (могут совпадать)

Простые и сложные реакции Простая реакция описывается одним стехиометрическим уравнением

Если превращение протекает по нескольким направлениям, то стехиометрических уравнений (3.1) будет несколько (сложная реакция)

Базисная система стехиометрических уравнений

Для расчета материальных балансов необходимо использовать только независимые стехиометрические уравнения, те такую систему уравнений, в которой ни одно из них не может быть получено линейной комбинацией других.

Такая система наиболее полно описывает процесс.

Должна содержать число независимых стехиометрических уравнений, равное:

У=В-Э (ОВР)

У=В-Э+1 (обменные реакции)

У - число уравнений в базисной системе, В - число веществ (участников ХП),Э - число хим элементов, из которых состоят вещества

Показатели эффективности:

Степень превращения – показывает какое число исходного сырья перешло в продукт (от 0 до 1)

Селективность – показывает какая доля из прореагировавшего в-ва переходит в целевой продукт

Полная, или интегральная, селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую, и побочные)

Мгновенной, или дифференциальной, селективностью - называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов